行政院国家科学委员会专题研究计画成果报告.pdf

行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告 奈米 結構光電元件之研究 — 總計畫 計畫編號 :NSC 90-2215-E-002-035 執行期限 :90/08/01~ 91/07/31 主持人 :林浩雄 共同主持人 ： 白偉武 、 毛明華 執行單位 :國立台灣大學 一 . 中文摘要 本計畫包括下面三項重要的奈米結構光電元件技術的發展研究 茲分敘其重要的研究結果如下 ： (1)以固態源分子束磊晶機在 砷化鎵基板上成長銻砷化鎵 /砷化鎵量子井和在銻砷化鎵 /砷化鎵量子井方面 ， 所成長的銻砷化鎵 /砷化鎵多層量子井寬面積雷射結構在室溫光激螢光譜波 長為 1.27µm， 半寬為 67meV 並且成功製作出在室溫下起振的銻砷化鎵 /砷化鎵量子井雷射 ， 放光波長在 1.26µm， 其起振電流密度低達 201A/cm2 (2) 研究矽鍺自形成量子點 (SAQD) 成長及形狀相變的機制 製造了原型之鍺量子點紅外線偵測元件 其偵測波段位於 2-4µm， 並且無正向入射偵測之間的問題 (3)在量子點方面 ， 我們成長出砷化銦 /砷化銦鎵量子點 ， 密度約 2.3×1010cm-2， 室溫光激螢光譜波長為1.282µm； 並且製作出在室溫起振的多層量子點寬面積雷射二極體 ， 其放光波長在1.18µm。

我們同 時也量測了量子點雷射二極體的頻寬 ， 並進行動態特性的模擬 關鍵詞 :分子束磊晶 ， 含銻化合物半導體 ， 銻砷化鎵量子井 ， 矽鍺量子點 ， 砷化銦鎵量子點雷射 Abstract This project has three subprojects. In the first subproject, we study the molecular beam epitaxial growth of Sb-based materials and devices that have been gradually drawing attention in high-speed electronics and optoelectronics. The growth conditions for GaAsSb/GaAs heterojunctions were investigated. A semi-empirical incorporation model for Sb and As was developed for precious composition control. Based on the results from growth condition optimization, we have successfully fabricated a type II GaAsSb/GaAs quantum well laser diode on GaAs substrate. The device demonstrates an emission wavelength of 1.26 µm and a threshold current density as low as 201A/cm2 at room temperature. In the second subproject, the evolution of self-assembled Ge quantum dots is studied. Understanding and controlling the growth of self-assembled strained semiconductor quantum dot (SAQD) is critical in realizing the application potential based on such nanostructure. In particular, the metastability of SAQD needs to be clarified. Here we conduct quantitative analysis on the shape evolution of Ge SAQDs grown on Si(100). It is found that the Ge SAQDs evolve from pyramid to dome shape beyond a critical volume Vc. However, coexistence of both island shapes in the neighbourhood of Vc is evident, indicating the shape may be trapped by a metastability. This metastability of island can be explained as a first-order phase transition, similar to the supercooling of water. With a model incorporating both the strain energy gain and the surface energy cost, an energy barrier for the shape transition ~3meV per atom is estimated. At the same time, the volume range of metastability can be predicted and compared with the experimental finding. Our analysis should be equally applicable to other systems such as III-V quantum dots(e.g. InAs/GaAs(100)). In the third subproject, InGaAs/GaAs QDs are grown and Fabry-Perot QD laser diodes are fabricated. At room temperature, long-wavelength lasing at 1.19 µm from QDs is demonstrated. The threshold current density from an 8×1200 µm stripe laser diode is below 500 A/cm2. The emission wavelength from the QD ground state is around 1.28 µm, not far from the target wavelength of 1.3µm which is of important application in fiber communication systems. Keywords: molecular beam epitaxy, Sb-based compound semiconductor, GaAsSb quantum well, Ge quantum dot, InGaAs quantum dot laser diode 二 .緣由與目的 具有第二型 (type-II)帶排列形式的半導體異質接面 ， 由於其發光能量可以低於個別材料的能隙 ， 使得其在長波長應用方面極具應用價值 ， 故在近年來十分受到重視 。

而銻砷化鎵 /砷化鎵量子井本身為一 type-II的量子井 ， 故可在砷化鎵基版上製作放光波長在1.3µm的雷射元件 目前已有人發表在砷化鎵基板上成長的低起振電流銻砷化鎵 /砷化鎵量子井雷射 [1] 此外 ， 在砷化鎵基板上成長的銻砷化鎵 /砷化鎵量子井面射型雷射也已成功將波長推展到 1.3 µm範圍 [2] 是以 ， 銻砷化鎵 /砷化鎵量子井在 1.3µm的光纖通訊應用上 極富潛力 而矽鍺異質磊晶為目前被積極研究的重要領域之一 這是因為矽鍺同為四價元素 ，可以任意比例混合並且可利用應變 (鍺晶格常數大於矽晶格常數約 4.2%)來控制奈米結構 ， 如自形成量子點 (self assemble quantum dots, SAQD)等 利用這些性質或可達到控制能帶並利用低維度 (如量子點 )特性的目的 本研究的目的在於研究 SAQD成長及形狀相變的機制 簡單的說 ， SAQD因為有隨體積變化的應變能量 ， 因此其平衡態形狀並非單純的受控制於表面能 量 ， 而是會隨體積而變化 此變化可導致共存之穩態或半穩態(metastable)的量子點形狀 ， (e.g.如水 、 冰共存 )， 為一階相變 。

此類相變隨有序參量 (order parameter)之變化而產生一能量位障 位障能量之大小決定了此系統的熱穩定性 就矽鍺 SAQD而言 ， 已知其大致在體積小時為所謂 “ 屋頂 ” (hut)或金字塔形 (pyramid)， 而在大體積時為圓頂 (dome)形 在相變點附近的過渡態形狀並非十分清楚 而其相變點的位障 (定量值 )亦不確定 本研究解決此問題 ， 同樣的程序及方法應可應用於其他 SAQD系統 ， 如 InGaAs/GaAs等 本子計畫 的 研究 目標在於 ： InGaAs/GaAs量子點的成長 、 其發光特性的分析 、 及其發光元件的研究 半導體量子點 ， 近年來受到廣泛的重視 ， 以量子點為主動層所製作的量子點雷射為例 ， 不僅在理論上被預測具有許多特殊 、 有用 的性質 ， 並且已有部分獲得實驗的證實 ， 譬如 ： 極低的工作電流 (26 A/cm2 [ 3])、 極高的溫度穩定性 (室溫下 T0=385K [4])、 極小的 chirp(0.007 Å /mA [5])、 高速的可調制性 (8.2GHz [6]) 以上特性 ， 皆是光通信系統的光源所必須具備的要件 。

因此 ， 量子點雷射在光通信系統的應用上 ， 具有極大的潛力 1.3µm是光纖低損耗 、 低色散的頻段 ， 傳統上是用 InGaAsP作主動層 ， 成長在 InP的基板上 InGaAs/GaAs量子點結構 ， 突破了在 GaAs基板上成長 InGaAs/GaAs量子井的限制 ， 將發光波長延伸至 1.3 µm， 因此可望在光纖通訊上有重要應用 ， 作為提供更佳 、 更便宜的光源 我們用 MBE成長發光波長在 1.3 µm的 InGaAs/GaAs量子點 此外 ，也製作了 Fabry-Perot量子點雷射二極體 ， 並探討 其高速調制下的動態特性 ， 以實現低工作電流 、 寬頻 、 波長穩定之量子點雷射 ， 而 此 動態特性的研究成果 ， 將為光電系統設計 ，提供不可或缺的雷射二極體模型 三 .結果與討論 在銻砷化鎵 /砷化鎵量子井的研究方面 ， 本研究以固態源分子束磊晶機在砷化鎵基板上成長 使用傳統加熱管提供砷源 ， 銻裂解加熱管提供銻單原子作為銻源 首先我們成長了銻砷化鎵 /砷化鎵五週的多層量子井 (R1969)， 長晶溫度為 500oC， 長晶速率約1µm/hr， 成長銻砷化鎵量子井厚度為 5nm， 砷化鎵障壁層為 30nm。

圖一為銻砷化鎵 /砷化鎵多層量子井的 X-光繞射圖譜 ， 其中上面為實驗曲線 ， 下面為擬合曲線 ， 圖中實 驗與擬合曲線的吻合顯示樣品有相當好的磊晶品質 由擬合曲線的結果得到銻砷化鎵中銻化鎵的成份為 0.332 圖二為其室溫光激螢光譜 ， 其放光波長在 1.238µm， 半寬為 68meV 我們也成長了銻砷化鎵 /銻化鎵雙量子井雷射結構 (R1974)， 其中銻砷化鎵量子井厚度增加到 7nm， 銻砷化鎵中銻化鎵含量為 。